摘要：主要介紹了數(shù)字式脈搏計的具體實現(xiàn)方法，利用光電傳感器產(chǎn)生脈沖信號，經(jīng)過放大整形后，輸入單片機內(nèi)進行相應的控制，從而測量出一分鐘內(nèi)的脈搏跳動次數(shù)，快捷方便。通過觀測脈搏信號，可以對人體的健康進行檢查，通常被用于保健中心和醫(yī)院。
關鍵詞：脈搏計；脈沖信號；光電傳感器；單片機
0 引言
脈搏測試儀是用來測量一個人脈搏跳動次數(shù)的電子儀器，也是心電圖的主要組成部分，因此，在現(xiàn)代醫(yī)學上具有重要的作用。目前檢測脈搏的儀器雖然很多，但是能實現(xiàn)精確測量、精確顯示且計時功能準確等多種功能的便攜式全數(shù)字脈搏測量裝置很少。隨著人們生活環(huán)境
和經(jīng)濟條件的改善，以及文化素質的提高，其生活方式，保健需求以及疾病種類、治療措施等發(fā)生了明顯的變化。但在目前，我國的心腦血管疾病仍呈逐年上升趨勢。其發(fā)病率和死亡率均居各種疾病之首，是人類死亡的主要原因之一。因此，認識、預防及早期發(fā)現(xiàn)這些疾病是十分必要的。
從脈搏波中提取人體的生理病理信息作為臨床診斷和治療的依據(jù)，歷來都受到中外醫(yī)學界的重視。幾乎世界上所有的民族都用過“摸脈”作為診斷疾病的手段。脈搏波所呈現(xiàn)出的形態(tài)(波形)、強度(波幅)、速率(波速)和節(jié)律(周期)等方面的綜合信息，在很大程度上反映出人體心血管系統(tǒng)中許多生理病理的血流特征，因此對脈搏波采集和處理具有很高的醫(yī)學價值和應用前景。但人體的生物信號多屬于強噪聲背景下的低頻弱信號， 脈搏波信號更是低頻微弱的非電生理信號，必需經(jīng)過放大和后級濾波以滿足采集的要求。
1 基本結構模塊
1．1 脈搏波檢測電路
目前脈搏波檢測系統(tǒng)有以下幾種檢測方法：光電容積脈搏波法、液體耦合腔脈搏傳感器、壓阻式脈搏傳感器以及應變式脈搏傳感器。近年來光電檢測技術在臨床醫(yī)學應用中發(fā)展很快，這主要是由于光能避開強烈的電磁干擾，具有很高的絕緣性，且可非侵入地檢測病人各種癥狀信息。用光電法提取指尖脈搏光信息受到了從事生物醫(yī)學儀器工作的專家和學者的重視。本系統(tǒng)設計了指套式的透射型光電傳感器，實現(xiàn)了光電隔離，減少了對后級模擬電路的干擾。
傳感器是一種以一定的精確度把被測量轉換為與之有確定對應關系的、便于應用的某種物理量的測量裝置。所用光電式傳感器由發(fā)光二級管和光敏二極管組成，其工作原理是：發(fā)光二極管發(fā)出的光透射過手指，經(jīng)過手指組織的血液吸收和衰減，由光敏二極管接收。由于手指動脈血在血液循環(huán)過程中呈周期性的脈動變化，所以它對光的吸收和衰減也是周期性脈動的，于是光敏二極管輸出信號的變化也就反映了動脈血的脈動變化。
1．2 脈搏信號拾取電路
紅外接收二極管在紅外光的照射下能產(chǎn)生電能，單個二極管能產(chǎn)生0．4_V電壓，0．5mA電流。BPW83型紅外接收二極管和IR333型紅外發(fā)射二極管工作波長都是940nm，在指夾中，紅外接收二極管和紅外發(fā)射二極管相對擺放以獲得最佳的指向特性。紅外發(fā)射二極管中的電流越大，發(fā)射角度越小，產(chǎn)生的發(fā)射強度就越大。在圖1中，R0選100 Ω是基于紅外接收二極管感應紅外光靈敏度考慮的。R0過大，通過紅外發(fā)射二極管的電流偏小，PBW83型紅外接收二極管無法區(qū)別有脈搏和無脈搏時的信號。反之，R0過小，通過的電流偏大，紅外接收二極管也不能準確地辨別有脈搏和無脈搏時的信號。當紅外發(fā)射二極管發(fā)射的紅外光直接照射到紅外接收二極管上時，IC1B的反相輸入端電位大于同相輸入端電位，Vi為“0”。當手指處于測量位置時，會出現(xiàn)二種情況：一是無脈期，雖然手指遮擋了紅外發(fā)射二極管發(fā)射的紅外光，但是，由于紅外接收二極管中存在暗電流，仍有1 μA的暗電流會造成Vi電位略低于2．5V。二是有脈期，當有跳動的脈搏時，血脈使手指透光性變差，紅外接收二極管中的暗電流減小，Vi電位上升。
1．3 信號采集及處理系統(tǒng)
由于光電脈搏波屬于緩慢變化的微弱生理信號，信噪比低，極易受到環(huán)境噪聲和肢體運動的干擾。傳統(tǒng)的光電脈搏波信號檢測電路都采用高增益放大器，以獲得較高的檢測靈敏度，這種設計思路導致了檢測信號動態(tài)范圍縮小，在受到運動干擾時，將導致由于干擾信號而帶來的光電脈搏波信號檢測的飽和失真。本系統(tǒng)采用過采樣技術，通過對信號的高速采樣來提高采樣精度，相當于用高分辨率的ADC對信號進行模數(shù)轉換，達到了提高信噪比并改善動態(tài)范圍的效果。因此本系統(tǒng)對經(jīng)過光電轉換后的信號進行模數(shù)轉換而不需要任何信號調(diào)理(放大和濾波)電路。
1．4 過采樣技術的應用
所謂過采樣技術是指以遠遠高于奈奎斯特(Nyquist)采樣頻率的頻率對模擬信號進行采樣的方法。由信號采樣量化理論可知，若輸入信號的最小幅度大于量化器的量化電平，并且輸入信號的幅度隨機分布，則量化噪聲的總功率是一個常數(shù)，在0～fs的頻帶范圍內(nèi)均勻分布。因此量化噪聲電平與采樣頻率成反比，如果提高采樣頻率，則可以降低量化噪聲電平，而由于基帶是固定不變的，因而減少了基帶范圍內(nèi)的噪聲功率，提高了信噪比，從而提高分辨率，并且采樣頻率每提高4倍，則信噪比提高4倍，相當于A／D的分辨率提高1位。
2 軟件設計
2．1 程序設計
本文選用ADI公司的單片機ADC841，其內(nèi)部集成了速度可達400k的12位逐次逼近型ADC，分辨率為0．6mv／LSB。從軟件需求和單片機速度出發(fā)，將ADC采樣率fs定為102．4kHz，為便于計算，將過采樣倍數(shù)k定為64，則下抽取后采樣率為偽：fs／k=1600Hz，是頻率為400Hz載波的四倍，滿足奈奎斯特采樣定理。由于過采樣倍數(shù)k為64，按每提高4倍采樣率就能提高一位分辨率來計算，獲得的ADC有效分辨率能提高3位，最后能達到約15位精度，其分辨率可達到0．0763mv／LSB。設置ADCCON1=#0B2H，ADCCON2=#00H。定時器2是一個具有16位自動重裝載功能的定時器，作定時器用時，TH2和TL2計的是機器周期數(shù)，TH2和TL2內(nèi)容的自動重裝載通過寄存器RCAP2H和RCAP2L來實現(xiàn)。對這四個寄存器都進行初始化，自動裝載值為#0FFCAH。
2．2 程序源代碼
3 結束語
本系統(tǒng)模擬電路簡單，由ADC841芯片實現(xiàn)脈搏信號采集，信號處理和脈搏次數(shù)的計算等功能，因此體積小，功耗低，系統(tǒng)穩(wěn)定性高。本系統(tǒng)可實現(xiàn)脈搏波的實時存儲并可實現(xiàn)與上位機(PC機)的實時通訊， 因此可作為多參數(shù)病人中心監(jiān)護系統(tǒng)的一個模塊完成心率檢測和脈搏波形顯示。
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